通过建模和仿真进行高速连接器设计

连接器是数据通道中最关键的部分之一 – 连接质量将对数据传输性能和信号完整性产生重大影响。将仿真集成到连接器设计流程中，使工程师能够优化数据传输，并让他们即使在多次使用周期后也能对接触和插入充满信心。本篇博客文章将逐步演示使用统一建模和仿真 （MODSIM） 设计微型 USB 连接器。

背景

高清流媒体视频、游戏和智能设备等数据密集型应用，以及远程医疗和自动驾驶等工业应用，都需要更高的带宽和可靠的连接。

为了支持更高的数据速率，信号脉冲必须更快地打开和关闭 - 换句话说，它们的上升和下降时间会缩短。由于不连续性反射、材料损耗、其他通道的串扰以及不对称的模式转换等问题，更高的信号带宽和更短的上升时间更难实现，尤其是在连接器等结构中。

电子数据通道需要以最小的信号失真促进数据传输。传输信号的 PCB、连接器和电缆可能会成为不需要的噪声源，可能会干扰附近的电子设备。因此，确保高信号完整性和满足电磁兼容性 （EMC） 认证标准非常重要。

 

图 1：3DEXPERIENCE 平台上连接器的初始模型。

连接不仅在第一次使用时可靠，而且在第 100 次或第 1000 次使用时也需要可靠。引脚必须正确接触，以尽量减少可能导致信号完整性问题的反射和损耗，并且弹簧需要以正确的力将连接器固定到位，这样它就不会意外脱落，但仍然可以由用户轻松插入和移除。

设备发展迅速，因此产品生命周期非常短，这限制了设计和分析的可用时间。在如此短的时间内，我们如何提高预测能力并做出更好的设计决策？

什么是 MODSIM？

计算机辅助设计 （CAD） 建模和计算机辅助工程 （CAE） 仿真都已非常成熟。MODSIM – “Unified Modeling and Simulation” 的缩写 – 将这些结合在一起，将 CAD 与仿真工具集成到一个公共数据库上，以在设计过程中分析设备的性能。所有模型和仿真数据都存储在单一数据源中，因此所有用户都在使用相同的最新信息。CAD 模型直接用于构建仿真模型，而仿真结果又用于指导设计。

MODSIM 加快了开发速度，因为它允许设计人员从设计的最早阶段就验证产品是否满足规范和要求，而不是投入资源开发和原型设计一个想法，只是为了在测试过程中发现问题。

对于连接器，MODSIM 提供了几个好处：

1. 减少所需的原型数量：由于无需物理测试即可识别潜在问题，因此只有当设计人员确信设计满足 SI 和 EMC 要求时，才需要制造物理原型。
2. 改善部门之间的沟通：设计和仿真传统上是孤岛式的。通过将两者集成，MODSIM 实现了协作，使设计人员能够更直接地访问仿真数据。
3. 加速开发：MODSIM 还可以加快开发速度，因为 CAD 模型可以直接传输到仿真，从而减少了为所有不同类型的仿真准备仿真模型所需的工作。然后，仿真结果可以反过来用于改进设计，甚至通过自动参数或非参数优化直接优化设计。

 

USB 连接器的 MODSIM 工作流程

第 1 阶段：定义要求

在项目的第一阶段，产品所有者和 CAE 经理为连接器项目创建一份全面的需求列表。这些要求确保连接器同时满足电磁和结构规范，并符合行业标准。要求可能包括：

• 插入和移除力（上限和下限）
• 疲劳和插入循环
• 信号完整性
• EMC 法定限制
• 几何限制（大小、形状）

Requirement 应用程序（来自ENOVIA品牌达索系统） 用于创建与工程和设计相关的需求。这些 KPI 分为不同的类别，提供了所有 KPI 的完整概述。例如，EMC 规范文件夹下有辐射发射 （RE） 要求，遵循不同频率范围的 FCC 标准。用户可以在需求规范下添加需求详细信息，其中包含各种参数值或参数范围、其优先级和成熟度状态、需求的所有者等。

在此阶段，也可以在 ENOVIA Test Management 应用程序中定义验证是否符合要求所需的测试，并将其分配给负责的工程师。

第 2 阶段：建模

 

图 2：初始连接器模型，包括 PCB 的各个部分。

负责仿真的设计专家和 SI 工程师将共同努力，以确保连接器满足 SI 要求。参数化模型是使用 SOLIDWORKS 在云端连接和模拟创建的。

图 2 显示了SOLIDWORKS.它由公头和母头部分组成，每个部分都连接到各自的 PCB。该模型是参数化的，这简化了更改几何图形和设计探索的过程。此模型将保存到三维EXPERIENCE 平台以便参与项目的所有利益相关者都可以访问它。

第 3 阶段：模拟

现在 SI 工程师启动了电磁仿真工具CST Studio 套房在 Power'By 模式下，并从 3DEXPERIENCE 平台接收更新的模型。模型与仿真设置一起保存在本地，因此定义了频率范围、网格划分、端口和激励信号等重要方面，之后可以在本地或在 3DEXPERIENCE Cloud 平台上执行仿真。3DEXPERIENCE Cloud 平台为偶尔需要苛刻模拟需求的用户带来高性能计算 （HPC） 的强大功能，而专用的现场硬件对于他们来说太昂贵了。云使仿真大众化，使设计人员能够更好地利用它并改进 MODSIM 工作流程。

使用了一种称为“瞬态传输线矩阵 （TLM）”的特殊电磁求解器，它非常适合模拟复杂几何结构上的干扰/EMC。它使用完美边界近似 （单元翘曲） 和单元集总 来显著减少对几何进行网格划分所需的单元数量，而不会损害仿真的准确性。如有必要，仿真还可以包括电缆本身和整个手机的几何形状。

在进行电磁仿真的同时，可以模拟连接器的机械性能。使用 3DEXPERIENCE 平台，连接器模型在Abaqus，结构模拟工具SIMULIA （模拟）.使用连接器的“虚拟孪生”模拟插入过程，输出许多周期的结果，例如引脚上的应变（以及由此产生的变形）、保持力和疲劳。

第 4 阶段：分析

 

图 3：在 CST Studio Suite 中模拟的连接器。

 

图 4：连接器的散射参数。

 

 

图 5：连接器的 TDR 信号。

 

图 3 显示了连接器的仿真模型以及使用差分信号激励的端口。图 4 显示了回波损耗、插入损耗和串扰信号的频率图，图 5 显示了时域反射计 （TDR） 信号。用户可以可视化和动画化高速连接器上的表面电流分布。可以使用虚拟探头分析 EMC 合规性，这些探头可在不同方向上捕获 3 米距离的电场。这些反映了 FCC 的辐射发射 B 类标准。图 6 显示了 500 MHz USB 信号和高速 2.5GHz USB 信号的峰值发射。

 

图 6：500 MHz 和 2.5 GHz 时的辐射发射

 

3DEXPERIENCE 平台提供了结果摘要。在此示例中，串扰在所有频率上均在限制范围内，表明已满足串扰要求。插入损耗也是如此，但当涉及到 TDR 时，差分 TDR 阻抗低于所需的值。同样，10 GHz 时的回波损耗略高于最大允许值。因此，我们可以说目前的设计不满足阻抗和回波损耗要求。为了纠正这个问题，需要更改设计。

第 5 阶段：重塑和变更管理

信号完整性工程师发现基线 TDR 显示弹簧位置的阻抗下降太多，并选择缩短插座引脚短截线的长度，这可能增加了寄生电容。此设计更改必须与设计专家沟通。他们将使用 Change Management 协同工作，以确保对连接器模型进行必要的更改，使其满足 SI 要求并符合 EMC 标准，由 EMC 工程师进行检查。

要请求更改，SI 工程师使用 Issue Management。该问题将附加到基线几何图形，并将使用地标进行可视化。设计师被要求在 SOLIDWORKS 中修改插槽的引脚长度。在 SOLIDWORKS 中修改了相应变量的值后，更新的模型将再次作为修订版保存在平台上。新设计可以通过电磁仿真和结构仿真进行重新仿真，以确保它现在满足要求并且不会影响机械性能。仿真证实，符合电磁要求不会对连接器的电磁性能产生不利影响。

此模型将放置在问题管理的 resolve （解决） 选项卡下，以便通知所有者模型已更新。他们可以检查更改并将其发送以供审批。

第 6 阶段：批准

一旦问题得到解决，并且设计现在满足 TDR 要求（如图所示），SI 工程师可以通过验证新结果来更新测试管理下的新测试结果，并且此测试用例可以标记为通过。因此，更新将发送给项目经理，在查看结果后，测试被标记为通过并发送给 CAE 经理以供批准。CAE 经理可以批准测试并发布要求。

结论

与传统设计流程相比，MODSIM 工作流程显著加快了开发速度，在传统设计流程中，TDR 问题可能只有在完成设计和构建原型后才能检测到。所有工具（ENOVIA 的需求管理、SOLIDWORKS 建模和 SIMULIA 仿真）均可从 3DEXPERIENCE 平台获得。该团队能够在 3DEXPERIENCE 平台上协同工作，共享自动更新的通用模型，以确保所有人都使用最新数据。最终结果是满足所有电子认证要求和标准的连接器。